CC BY
51
ISSN 2079-0031 Вестник НТУ "ХПИ", 2015, № 32 (1141) УДК 651.326
Г.1. БАРИЛО, канд. техн. наук, доц., НУ "ЛП", Львiв, В.В. В1РТ, студент, НУ "ЛП", nbBiB, З.Ю. ГОТРА, д-р техн. наук, проф., НУ "ЛП", Львiв, М.С. 1ВАХ, канд. техн. наук, асистент, НУ "ЛП", Львiв, О.Т. КОЖУХАР, д-р техн. наук, проф., НУ "ЛП", Львiв
СТВОРЕННЯ МОДЕЛ1 1НФОРМАЦ1ЙНО-ОБЧИСЛЮВАЛЬНО1 СИСТЕМИ ДЛЯ ПРИСТРО1В НЕ1НВАЗИВНО1 Д1АГНОСТИКИ
Проведено огляд засоб1в обчислення та електронних шформацшно-обчислювальних систем нешвазивно! д1агностики. Розроблено структурну схему модел^ яка передбачае використання анал1зу та оброблення значень параметр1в вхiдних шформацшних сигнал1в за допомогою спещал1зованого програмного забезпечення MathCad. 1л.: 2. Б1блюгр.: 8 назв.
Ключов1 слова: модель, шформацшно-обчислювальна система, нешвазивна д1агностика, спещал1зоване програмне забезпечення.
Постановка проблеми i анал1з л1тератури. Розвиток нових л^вально^агностичних приладiв тiсно пов'язаний з використанням неiнвазивних методiв монiторингу впливу л^вального процесу та дiагностики [1], основу яких складае порiвняльний за прюритетами аналiз параметрiв оптичного випромiнювання [2], отриманих при його контрольованiй взаемоди з кровонаповненими дiлянками бiомедичного об'екта (БО). Використання вище зазначених методiв останнiм часом стають все б№ш популярними у лiкарськiй практицi [3]. Проте найновiшi з них потребують застосування в них моделi шформацшно-обчислювально! системи.
На основi аналiзу стану розвитку засобiв реалiзацil нешвазивних медичних технологiй визначено вiдсутнiсть у сучасних приладах неперервного контролю оч^ваних позитивних або непередбачених негативних змш показник1в пацiента впродовж лiкувальних сеанав та вiдсутнiсть у них моделi шформацшно-обчислювально! системи.
Вiдсутнiсть тако! моделi шформацшно-обчислювально! системи не дае можливосп оперативного прийняття об'ективного лiкарського ршення та подальшо! стратеги лiкування обраною технологiею. Впровадження тако! системи дозволило б шдвищити iнформативнiсть про переб^ лiкування через неперервне тестування пащента впродовж процедури, дало б можливють прискорення, автоматизацп та
© Г.1. Барило, В.В. Вiрт, З.Ю. Готра, М.С. 1вах, О.Т. Кожухар, 2015
об'ективносп прийняття лжарського ршення, та створило можливють роботи лiкаря в iнтерактивному формата
Для скорочення часу створення таких обчислювальних процесiв виникае необхiднiсть побудови математично! моделi. В основу роботи моделi закладено результати тривалих дослщжень впливу оптичного випромiнювання на БО та розроблено новi алгоритми анатзу, якi використовують методи ймовiрнiсного тдходу [4].
У роботi [5] видшено три основних групи сигналiв, а саме: сигналiв вiд пройденого ^зь БО, ввдбитого вiд БО, а також власного випромшювання БО.
За результатами аналiзу параметрiв цих сигналiв, як статичних так i динашчних, проводиться визначення рiвня впливу на оргашзм лiкувальних процедур, перебiгу захворювання та лiкування, а також загально! дiагностики.
В процесi аналiзу та оброблення вх1дних даних здiйснюються складш математичнi обчислення, як1 грунтуються на використанш методiв ймовiрнiсного пiдходу (метод Байеса) [6] та послщовного статистичного аналiзу (метод Вальда).
Мета статт - створення моделi шформацшно-обчислювально! системи для пристро!в нешвазивно! дiагностики за результатами дослвджень впливу оптичного випромiнювання на органiзм та впровадження нових алгоршшв аналiзу.
Побудова структури моделi iнформацiйно обчислювальноТ системи. У першому наближеннi логiчнi функци можна розглядати як процес оперування з шформащею представленою певними iнформацiйними сигналами, наприклад, Х1, ..., ХК. За такого тдходу вхщт сигнали е первинними, а лопчт мiркування - вторинними. За формулою Байеса як мiра достовiрностi висновку про ефективнiсть чи неефектившсть лжувально! процедури е ймовiрнiсть P(Yj/Xi) для множини сигналiв i статистично незалежних ознак
K P(X, / Y,)
P(Yj/ x,...Xk) = p(Y )П j (1)
t=i p{Xi)
або в рекурентному варiантi
P(XK / Y,)
P(Yj /X1;....XK) = P(Y, /Хъ...Хк-1)—^ . (2) j j P(XK)
Вираз (2) дозволяе проводити обчислення в мiру надходження параметрiв iнформацiйних сигналiв, не чекаючи моменту, коли будуть оцшеш всi К сигнали. Тому можна припинити врахування нових пара-метрiв, якщо оцiнка ймовiрностi гiпотези, що аналiзуеться, е досить високою.
У випадку аналiзу одного з двох можливих параметрiв i, за умови, що Р(У\) = Р(У2), справедливим для статистично незалежних ознак е
Р(¥1/Х1г...,Хк) _ А Р(X, /У1) Р(У2/хи...Хк) ЦР(Х, /у2)
або, пiсля логарифмування,
И1 = 1П Р(У1/Х 1,...,Хк) = V 1П Р(Х /У1) = £ 1пг, , (3)
1 Р(У2/Хи...Хк) £ Р(X, /Т2) £ 1 К'
та в рекурентнiй формг
и к = и к-1 + 1п г к . (4)
Розв'язувальне правило в цьому випадку мае такий вигляд:
ик > 0 ^ X е У1,
ик < 0 ^ X е У2.
(5)
Разом iз виразом (4) розв'язувальне правило (5) трактуеться так: якщо пiсля врахування чергового значення параметра дослщжуваного сигналу знак величини иК не змiнився, е тдстави для припинення процесу аналiзу. Однак, для впевненостi можна розглянути ще дек1лька значень цього параметра i переконатися, що величина иК дшсно продовжуе вiддалятись ввд граничного значення, тобто е тдстави для прийняття вщповщного тестового поввдомлення.
У випадку обмеження значень параметра тестового сигналу певними рамками використовуеться метод послщовного аналiзу Вальда, в результата чого можна запропонувати, замiсть виразу (5), розв'язувальне правило вигляду:
ик > а ^ X е У1,
ик < Ь ^ X е У2, (6)
Ь < и Г < а,
де величины а I Ь визначають меж1 "коридору" 1 розраховуються, виходячи 1з заданих значень ймов1рностей помилок б1 1 б2 - помилок прийняття ршення про стан тестування У1 за наявносп стану У2 { навпаки
[7].
Робота системи грунтуеться на неперервному анал1з1 параметр1в сигнал1в, як1 надходять з чутливих сенсор1в розташованих безпосередньо бшя кровонаповненого органу.
Змша ф1зюлопчного стану спричиненого л1кувальною процедурою або шшими факторами здшснюе вплив на значения цих параметр1в.
В запропонованш модел1 використовуються три основних вх1дш шформацшш канали. Динамжа змши значень цих параметр1в та !х взаемне сшвввдношення складають основу роботи системи.
На рис. 1 представлено структурну схему модел1, яка передбачае використання анал1зу та оброблення значень параметр1в вх1дних шформацшних сигнал1в за допомогою спещал1зованого програмного забезпечення MathCad. Структура модел забезпечуе проведення контролю пром1жних результапв обчислень та !х оперативне коригування вщповвдно до умов вим1рювання.
Сформован чутливими сенсорами сигнали оцифровуються та надходять на блок реестраци вхвдних сигнал1в. З отриманого потоку даних видшяються значення окремих канал1в х1, х2, х3. Кожне 1з отриманих значень обробляеться вщповвдними блоками анал1зу, в результат якого визначаються допустим1 меж1 значень цих сигнал1в. У випадку виходу за встановлений д1апазон формуеться вщповвдне повщомлення. Так шформацшш повщомлення можуть сввдчити про несправшсть сенсора або неввдповщшсть мюця його встановлення. У випадку належносп сигналу до встановленого д1апазону значень вщбуваеться його подальший анал1з.
У блощ обробки здшснюеться почергове пор1вняння параметр1в кожного 1з сигнал1в.
За розробленим алгоритмом визначаеться прюритетний сигнал з найбшьшою динамжою змши. Змша динам1ки цього сигналу використовуеться для формування д1агностичного повщомлення. Паралельно анал1зуеться динам1ка змши значень шших сигнал1в. Ввдповвдно до отриманих значень та тривалосп процедури формуеться остаточне д1агностичне повщомлення.
Отримаш результати зютавляються з встановленою точшстю з1 значеннями бази даних. У випадку сшвпадшня даш 1гноруються, а при неввдповщносл заносяться до бази даних. Такий шдхвд дозволяе розширити значення бази даних та використовувати !х для подальшого анал1зу в процес д1агностики.
В основу роботи моделi закладено результати тривалих дослщжень впливу оптичного випромiнювання на оргашзм та розроблено новi алгоритми аналiзу, як1 використовують методи ймовiрнiсного шдходу.
Рис. 1. Структура моделi шформацшно-обчислювально! системи
Графiчнi представления результата, наведенi на рис. 2 а i 2 б, на яких один i3 сигналiв показаний у виглядi прямо! - а) вище верхньо! меж! та б) нижче нижньо! меж!, ввдповвдають шформацшному повщомленню про ввдхилення за меж! допустимих значень сигнал!в xi та хз - вщповщно, як! призводять до зупинки роботи системи, а граф!чне представлення зображене на рис. 2 в - вщповщае робочому режиму, в процес якого отримаш значення xi, х2, хз використовуються для программного анал!зу. На основ! одержаних результата формуеться д!агностичне повщомлення.
и, tí tí в)
Рж. 2. Гpaфiчнi зaлeжноcтi змши вxiдниx пapaмeтpiв xi, Х2, хз в
чатовому дiaпaзонi 0 - 30 xb: а) знaчeння xi вводить за вepxню допустиму м«жу; б) знaчeння хз виxодить за
нижню допустиму м«жу; в) знaчeння пapaмeтpiв в pобочому дiaпaзонi
Miнiмaльнe та макстмальш знaчeння pобочого дiaпaзону вxiдниx пapaмeтpiв зaдaютьcя коpиcтувaчeм або можуть виб^аттея автоматично, вщповвдно до вибpaниx налаштувань. Гpaфiчнi пpeдcтaвлeння peзультaтiв нaвeдeнe на pra. 2 а i 2 б ввдповвдають iнфоpмaцiйному пов1домл«нню пpо вiдxилeння допуcтимиx знaчeнь i пpизводить до зупинки pоботи cиcтeми, а гpaфiк 2 в - вщповщае pобочому peжиму i отpимaнi знaчeння викоpиcтовуютьcя для фоpмувaння дiaгноcтичного пов1ДОМЛ«ННЯ [S].
Висновки. Розpоблeно cтpуктуpну cxeму мод«л1, яка пepeдбaчae викоpиcтaння aнaлiзу та обpоблeння знaчeнь пapaмeтpiв вxiдниx iнфоpмaцiйниx cигнaлiв та пpовeдeно ïï peaлiзaцiю в cпeцiaлiзовaному пpогpaмному cepeдовищi MathCad. Розpоблeнa мод«ль зaбeзпeчуe пpовeдeння контpолю пpомiжниx peзультaтiв обчиcлeнь та опepaтивного коpигувaння pобочого дiaпaзону знaчeнь ввдповвдно до умов вимipювaння.
Викоpиcтaння зaпpопоновaноï мод«л1 значно шдвищуе eфeктивнicть доcлiджeнь пов'язaниx з обpобкою та aнaлiзом мacивiв знaчeнь вxiдниx
napaMeTpiB, на 0CH0Bi яких формуються дiагностичнi повщомлення. Отримаш результати aнaлiзу дають змогу формувати бази даних, як1 використовуються в процес1 побудови лiкувaльно-дiaгностичних пристро1в нешвазивно! медицини. Таке моделювання особливо актуальне шд час використання зaсобiв мжропроцесорно! технiки з вбудованим програмним забезпеченням для оптим1заци кiлькостi циктв запису створених баз даних.
Результати моделювання дають можлив1сть розширити функци дiaгностичних медичних пристро1в та отримати iнформaцiю, як про перебiг лшувально! процедури так i про li результати.
Список л1тератури: 1. Albrecht T. Non-invasive diagnosis of hepatic cirrhosis by transit-time analysis of an ultrasound contrast agent / T. Albrecht, M.J. Blomley, D. O. Cosgrove, S.D. TaylorRobinson, V. Jayaram, R. Eckersley, A. Urbank, J. Butler-Barnes, N. Patel. — Lancet. - 2005. -Vol. 353. - P. 79-83. 2. Барижо Г.1. Апаратурно-програмне забезпечення лжувального процесу в оториноларингологи з неперервним оптико-електронним тестуванням бюоб'екта. / Г.1. Барило, З.Ю. Готра, А.М. Зазуляк, О.О. Кцера, О. Т. Кожухар, Н.1. Кус // Оптико-електронш шформацшно-енергетичш технологи. - 2012. - № 2 (24) . - С. 81-85. 3. Duncan A. Portable Non-Invasive Blood Glucose Monitor / A. Duncan, J. Hannigan, S.S. Freeborn, P. W.H. Rae, B. McIver, F. Greig, E.M. Johnston, D. T. Binnie, H.A. MacKenzie // 8th Int. Conf. Solid State Sensors and Actuators and Eurosensors IX; April 2011: abstracts. -Stockholm, Sweden. - 2011. - 455-458. 4. Hanson К.М. A computational approach to Bayesian inference / К.М. Hanson, G.S. Cunningham // Computing Science and Statistics. - VA 220397460, 2006. - P. 202-211. 5. Готра З.Ю. Використання елеменпв штучного штелекту в оптичних дiaгностично-лiкувaльних приладах / З.Ю. Готра, О. Кожухар, Г. Барило, М. 1вах,
B. Вiрт // Техшчш вют!, Орган Украшського шженерного товариства у Львовг - 2013. -
C. 27-29. 6. Gregory S. Cunningham Bayesian estimation of regularization parameters for deformable surface models / Cunningham Gregory S., Lehovich Andre, Hanson M. Kenneth // Los Alamos National Laboratory, University of Arizona, Dept. of Applied Mathematics. - 2010. -Р. 25-31. 7. Барило Г.1. Схемотехшчш особливосп побудови дiaгностично-лiкувaльних прилaдiв на основi мiкроконтролерiв PSoC / Г.I. Барило, В.В. Вiрт, З.Ю. Готра, М.С. 1вах, О.Т. Кожухар //Вюник НТУ "ХШ". Серiя: 1нформатика та моделювання. - Харюв: НТУ "ХШ". - 2014. - № 35 (1078). - С. 15-21. 8. Готра З.Ю. Активний оптоелектронний контроль фотомедичних технологи / З.Ю. Готра, О. Т. Кожухар, О. О. Кицера, А.М. Зозуляк, М.С. Ск1ра // Збiрник праць. Перший Всеукрашський з'1зд"Медична та бюлопчна шформатика i юбернетика" з мiжнaродною участю. - Ки1в. - 2010. - С. 272.
Bibliography (transliterated): 1. Albrecht T. Non-invasive diagnosis of hepatic cirrhosis by transit-time analysis of an ultrasound contrast agent / T. Albrecht, M.J. Blomley, D. O. Cosgrove, S.D. Taylor-Robinson, V. Jayaram, R. Eckersley, A. Urbank, J. Butler-Barnes, N. Patel. - Lancet. - 2005. - Vol. 353. - P. 79-83. 2. Barilo G.I. Aparatyrno-programne zabezpechennja likuval'nogo procesu v otorinolaringologn z neperervnim optiko-elektronnim testuvannjam bioob'ekta / G.I. Barilo, Z.Ju. Gotra, A.M. Zazuljak, O.O. Kicera, O.T. Kozhuhar, N.I. Kus // Optiko-elektronni informacijno-energetichni tehnologii. - 2012. - № 2 (24) . - S. 81-85. 3. Duncan A. Portable Non-Invasive Blood Glucose Monitor / A. Duncan, J. Hannigan, S.S. Freeborn, P.W.H. Rae, B. McIver, F. Greig, E.M. Johnston, D.T. Binnie, H.A. MacKenzie // 8th Int. Conf. Solid State Sensors and Actuators and Eurosensors IX; April 2011: abstracts. - Stockholm, Sweden. - 2011. - 455-458. 4. Hanson K.M. A computational approach to Bayesian inference / K.M. Hanson, G.S. Cunningham // Computing Science and Statistics. - VA 22039-7460, 2006. -
P. 202-211. 5. Gotra Z.Ju. Vikoristannja elementiv shtuchnogo intelektu v optichnih diagnostichno-likuval'nih priladah / Z.Ju. Gotra, O. Kozhuhar, G. Barilo, M. Ivah, V. Virt // Tehnichni visti, Organ Ukraïns'kogo inzhenernogo tovaristva u L'vovi. - 2013. - S. 27-29.
6. Gregory S. Cunningham Bayesian estimation of regularization parameters for deformable surface models / Cunningham Gregory S., Lehovich Andre, Hanson M. Kenneth // Los Alamos National Laboratory, University of Arizona, Dept. of Applied Mathematics. - 2010. - S. 25-31.
7. Barilo G.I. Shemotehnichni osoblivosti pobudovi diagnostichno-likuval'nih priladiv na osnovi mikrokontroleriv PSoC / G.I. Barilo, V.V. Virt, Z.Ju. Gotra, M.S. Ivah, O.T. Kozhuhar // Visnik NTU "HPI". Serija: Informatika ta modeljuvannja. - Harkiv: NTU "HPI". - 2014. - № 35 (1078). - S. 15-21. 8. Gotra Z.Ju. Aktivnij optoelektronnij kontrol' fotomedichnih tehnologij / Z.Ju. Gotra, O.T. Kozhuhar, O.O. Kicera, A.M. Zozuljak, M.S. Skira // Zbirnik prac'. Pershij Vseukraïns'kij z'ïzd"Medichna ta biologichna informatika i kibernetika" z mizhnarodnoju uchastju. - Kiïv. -2010. - S. 272.
НадШшла (received) 11.04.2015
Статтю представив д-р ф1з.-мат. наук, проф. НУ "ЛbeiecbKa полтехнка " Микитюк З.М.
Barylo Gryhoriy, PhD Tech.
Senior Lecturer of the Department of Electronic Devices Lviv Polytechnic National University Str. S.Bandery, 12, Lviv, Ukraine, 79013 Tel.: (032) 258-21-73, e-mail: [email protected] ORCID ID:0000-0001 -5749-9242
Virt Volodymyr, master
Lviv Polytechnic National University
Str. S.Bandery, 12, Lviv, Ukraine, 79013
Tel.: (032) 258-21-73, e-mail: [email protected]
ORCID ID: 0000-0001-6537-3172
Hotra Zenon, Dr.Sci.Tech, Professor Head of the Department of Electronic Devices Lviv Polytechnic National University Str. S.Bandery, 12, Lviv, Ukraine, 79013 Tel.: (032) 258-21-57, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0002-6566-6706
Ivakh Mariya, PhD Tech.
Assistant Professor at the Department of Electronic Devices Lviv Polytechnic National University Str. S.Bandery, 12, Lviv, Ukraine, 79013 Tel.: (032) 258-21-73, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0002-6735-5426
Kozhukhar Oleksandr, Dr.Sci.Tech, Professor Professor at the Department of Electronic Devices Lviv Polytechnic National University Str. S.Bandery, 12, Lviv, Ukraine, 79013 Tel.: (032) 258-21-73, e-mail: [email protected] ORCID ID: 0000-0002-7432-2526
